基于爆炸應力波和構造煤帶孕育煤與瓦斯突出危險狀態的模型

常未斌,樊少武,張 浪,舒龍勇

(1．煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院,北京 100013;2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院),北京100013)

基于爆炸應力波和構造煤帶孕育煤與瓦斯突出危險狀態的模型

常未斌1,2,樊少武1,2,張 浪1,2,舒龍勇1,2

(1．煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院,北京 100013;2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院),北京100013)

針對華南地區突出礦區分布廣泛、煤與瓦斯突出事故嚴重的現狀,結合該地區地質構造復雜構造煤廣泛分布和大部分礦井采用炮采炮掘工藝的特點,提出一種基于爆炸應力波和構造煤帶孕育煤與瓦斯突出危險狀態的模型,并對該模型進行了理論分析。研究表明:爆炸應力波在傳播過程中形成的稀疏波會引起該波經過的區域密度減小、體積增大,煤層瓦斯壓力降低,進而破壞煤體瓦斯原有吸附平衡狀態,大量吸附瓦斯解吸導致煤層瓦斯壓力上升;當掘進工作面前方煤體一定深度存在構造煤帶時,爆炸應力波從掘進工作面爆源傳至未破壞煤體與構造煤帶交界面,由于爆炸應力波的反射加強作用使構造煤迎波一側未破壞煤體產生拉伸破壞,而掘進工作面前方存在的應力集中帶不會引起爆炸應力波對煤體產生反射拉伸加強破壞作用;掘進工作面向構造煤帶推進需要周期性的爆破作業,爆炸應力波的強度隨著距爆源的距離增加而衰減,產生的爆炸應力波對煤體的瓦斯解吸作用和破壞作用不斷增強,產生爆炸應力波的累加效應。

爆炸應力波;構造煤帶;煤與瓦斯突出;炮掘工藝;爆破累加效應

2009—2013年,上報國家安全生產監督管理總局的煤與瓦斯突出事故[1]共計68起,其中,華南地區(包括云南、貴州、湖南、四川、重慶等地區)共發生63起,占總突出事故次數的93%。與其他地區相比,華南地區礦井具有地質構造復雜、構造煤廣泛豐富[2]、大多數礦井采用炮采炮掘工藝的特點[3]。

前人對爆破與煤與瓦斯突出的關系進行了統計研究和理論研究,統計結果[4-6]表明煤與瓦斯突出與爆破有直接的相關關系,即大部分煤與瓦斯突出是放炮引起的,并且一些礦井[7-8]采用振動爆破的方式誘導煤與瓦斯突出;理論研究表明[4,9-11],爆破使巷道“瞬間”進入深部煤體,四周煤巖的應力狀態突然改變,煤體由三向受力變為兩向或單向,使煤體產生破壞;一些學者[9,11]提出爆炸應力波遇到應力集中帶反彈回來的應力波會對煤體產生拉伸破壞;還有一些學者通過實驗驗證[11-12]爆破振動能促進煤體解吸瓦斯。前人對地質構造煤與煤與瓦斯突出的關系也進行了大量的研究,包括統計研究[13-20]和理論研究[21-23]。統計研究表明地質構造處存在大量構造煤,煤與瓦斯突出大多發生在構造煤賦存的區域;理論研究了各種地質構造對煤與瓦斯突出的控制作用。

前人在研究炮掘工藝對煤與瓦斯突出的影響主要集中在統計規律上,沒有進行深入的理論研究,其中包括爆炸應力波遇到應力集中帶發生反射對煤體產生拉伸破壞,這種解釋是不合理的;對于爆炸應力波對煤體瓦斯解吸的理論研究較少;前人分別研究了構造煤和炮掘工藝對煤與瓦斯突出的影響,沒有將二者結合起來考慮對煤與瓦斯突出的影響。本文著重闡述一種基于爆炸應力波和構造煤帶孕育煤與瓦斯突出危險狀態的模型,通過該模型分析爆炸應力波遇到構造煤發生反射對煤體產生拉伸破壞和促進煤體解吸瓦斯的機理。

1 孕育煤與瓦斯突出危險狀態的模型

模型的地質原型是我國華南地區富含構造煤的炮掘工作面。華南地區在地史時期構造運動頻繁,有些地區煤層受后期構造運動破壞而出現不同程度的褶皺、錯動和破碎,破壞了原有煤的光澤、成分和構造,在一定區域內形成了構造煤。構造煤帶可能位于斷層處,也可能位于褶皺部位,即使是無明顯地質構造處也可能形成構造煤(圖1),因為經過復雜的地質運動后,在力學性質上表現出高度的非均質性,在煤層內部事先存在高度揉摺而已發生塑性變形的區域。

圖1 塑性區和彈性區地質模型Fig．1 Geological model of original elastic and plastic zone in coal seam

在一些礦井井下施工抽放鉆孔或者測壓鉆孔的過程中可以發現,打鉆過程中會發生時斷時續的噴孔現象,發生噴孔的區域就是構造煤發育的區域,未發生噴孔的區域就是煤體較完整的區域。本文以圖2地質模型為研究對象,模型中包含3個基本要素:①掘進工作面;②掘進工作面前方煤體內存在的一定厚度的構造煤帶;③掘進工作面使用炮掘工藝,掘進過程中會產生周期性的爆炸應力波。

圖2 基于爆炸應力波和構造煤帶的地質模型Fig．2 Geological model based on explosive stress wave and tectonic coal zone

2 爆炸應力波對煤體瓦斯解吸的影響機理

2.1 爆炸應力波的產生和傳播

在炮掘工作面進行爆破作業時,炸藥在炮孔中起爆后形成強大的沖擊載荷,這種載荷作用在煤體中會產生過渡性的擾動現象,即產生波動。煤體內的應力以波動的方式傳播,即應力波。對爆破來說這種應力波是有爆炸沖擊載荷產生的,即爆炸應力波。

本文討論爆炸應力波中縱波對煤體瓦斯放散性的影響,縱波的特點[24]是波的傳播方向和傳播途中介質質點的振動方向一致,這種波在傳播過程中會引起物體產生壓縮和拉伸變形,壓縮和拉伸變形從微觀角度就是縱波在傳播介質中產生壓縮波和稀疏波。煤體受擾動后波陣面上介質的壓力和密度均增大的波稱為壓縮波,受擾動后波陣面上介質的壓力和密度減小的波稱為稀疏波。

2.2 爆炸應力波影響煤體瓦斯放散性的機理

爆炸應力波中的縱波在掘進工作面前方煤體內傳播的過程中會產生壓縮波和稀疏波,在縱波經過的煤體產生壓縮區域和膨脹區域。煤體有別于其他巖體介質的地方在于煤體的孔隙裂隙系統中賦存有大量的游離瓦斯和吸附瓦斯,其中賦存在孔隙裂隙系統中的游離瓦斯形成煤層瓦斯壓力。當煤體處于相對靜止狀態時,即煤體未受爆炸應力波影響,煤體孔隙裂隙中的游離瓦斯和吸附瓦斯處于動態吸附平衡狀態,當稀疏波經過掘進工作面前方煤體時,該區域的煤體就會膨脹變形,導致體積增大、密度減小,煤體的孔隙裂隙容積增大,相應的游離瓦斯在煤體中形成的煤層瓦斯壓力降低,破壞了煤體中的瓦斯吸附平衡狀態,導致處于吸附態的瓦斯轉化為游離態的瓦斯,吸附瓦斯大量解吸,導致煤層瓦斯壓力的升高。

2.3 爆炸應力波的累加效應

在炮掘工作面和揭煤工作面,工作面的推進不是一次爆破作業完成的,而是隨著工作面的推進,需要不斷的放炮作業,所以工作面前方構造煤帶一側的煤體不斷受到爆炸應力波的擾動,在煤體中不斷產生壓縮區域和膨脹區域。選取工作面前方一定范圍內任意一個六面體微元A,隨工作面的放炮推進,每次放炮過程對A區域的擾動都是不同的(圖3,其中a～d表示每次放炮后掘進工作面煤壁推進到的位置),因為爆炸應力波在煤體中傳播過程,其強度隨著距離的增加不斷衰減,所以掘進工作面越靠近A,應力波對A的擾動越強,即A產生膨脹區域的壓力和密度相對于前一次爆破更小,由于微元體體積的不斷增大,煤體內瓦斯的吸附平衡狀態不斷被破壞,吸附態的瓦斯隨著掘進工作面的推進不斷轉化成游離態瓦斯,從而使A附近的煤層瓦斯壓力不斷升高。圖4為爆炸應力波影響煤體解吸瓦斯的過程。

圖3 隨掘進工作面推進稀疏波經過區域微元體體積變化趨勢Fig．3 Volume change trend of micro-body which sparse wave go through with promoting of driving face

圖4 爆炸應力波對煤體瓦斯解吸的影響過程Fig．4 Influence of explosive stress wave on coal desorption process

3 爆炸應力波與構造煤耦合對煤體強度的影響

3.1 應力波的反射機理

設介質1(ρ1,cp1)與介質2(ρ2,cp2)的交界面為A′—A′(ρ為介質的密度;cp為縱波在介質中傳播的速度)。當應力波到達交界面是垂直入射時,會產生垂直反射和垂直透射,由于交界面處應力波具有連續性,則質點的振動速度相等,即

式中,下標i,r,t分別表示入射、反射和透射;v為質點的振動速度。

同時,在交界面處的作用力與反作用力相等,即交界面兩側的應力狀態相等,則

式中,σ為縱波應力。

如果傳播中的應力波為縱波,則根據σ=ρcp,vp得

將式(3)代入式(1)得

將式(4)與式(2)聯立求解,得

式中,Rr為應力波垂直反射系數,且

Rt為應力波的垂直透射系數,且

式(5)和式(6)表明,反射應力波和透射應力波的大小是交界面兩側介質波阻抗(ρc)的函數。

(1)當兩種介質的波阻抗相等,即 ρ1cp1=ρ2cp2時,σr=0,σt=σi,說明透射波與入射波性質完全一樣,且全部通過交界面進入第2種介質,不產生波的反射。

(2)當ρ2cp2＞ρ1cp1時,則σr＞0,σt＞0,說明交界面有反射波,也有透射波;如果ρ2cp2?ρ1cp1時,則ρ1cp1可以忽略不計,即σr=σi,σt=2σi。說明在交界面上反射應力波的符號、大小與入射應力波完全相同,透射應力波是入射應力波的兩倍,疊加的結果使交界面處的應力值為入射應力波的兩倍,其質點的運動速度為0,此交界面即為固定端。

(3)當ρ2cp2=0或ρ2cp2?ρ1cp1時,即應力波到達的交界面是自由端,則σr=-σi,σt=0,這時反射波與入射波的符號相反,大小相等,疊加的結果使交界面處得應力值為0,即入射波全部反射呈拉伸波,而沒有透射波產生。

(4)當ρ2cp2＜ρ1cp1時,則σr＜0,σt＞0,即在交界面既有透射壓縮波又有反射拉伸波。

由于煤體的極限抗拉強度非常小,后兩種情況都會引起煤體破碎。

3.2 構造煤加強爆炸應力波反射拉伸破壞煤體機理

當掘進工作面前方煤體內存在一定深度的構造煤時(圖5),由于構造煤帶的密度,彈性模量和應力波傳播的速度均小于未破壞煤體,即 ρ2cp2＜ρ1cp1或ρ2cp2?ρ1cp1的情況。當爆炸應力波傳至D—D界面時,則發生反射,反射回去的爆炸應力波與隨后傳向D—D界面的爆炸應力波相互疊加,當相遇的兩個波同相位時,應力波則會增強,使構造煤迎波一側煤體A產生拉伸破壞。

圖5 構造煤帶與未破壞煤體界面D—DFig．5 Interface D—D between tectonic coal zone and no-destruction coal

當爆炸應力波傳播過程中足以使構造煤帶緊密閉合或使構造煤帶的密度增加到與兩側未破壞煤體相差不大時,構造煤帶對應力波的反射增強作用可以忽略不計。也就是說爆炸應力波的反射增強作用取決于構造煤帶的厚度和范圍,即構造煤帶越大,分布范圍越廣,爆炸應力波的反射增強作用越大,構造煤迎波一側煤體拉伸破壞越嚴重。

通過理論分析還可以說明,當掘進工作面前方煤體內不存在構造煤帶B時,即ρ2cp2≈ρ1cp1,可得σr= 0,σt=σi的情況出現,透射波與入射波性質完全一樣,并全部通過交界面D—D進入構造煤帶B,從而不產生波的反射。所以,只有當掘進工作面前方煤體中存在構造煤時,可加強構造煤帶迎波一側煤體的破壞。

3.3 應力集中帶對爆炸應力波反射破壞煤體作用的影響

一些學者[11]提出,壓縮應力波傳播到煤體一定深度時,被集中應力帶所阻,反彈回來,轉向自由面方向,這時,對新暴露煤壁附近煤體起拉應力的作用,如果煤體的抗拉強度抵抗不住這些合力的推動作用,則有可能突破煤壁上抗拉強度最低部位而發生突出。

隨著掘進工作面的推進,工作面前方的煤體可以劃分為3個區域(圖6),即卸壓帶、應力集中帶、原巖應力帶。其中卸壓帶內的煤體發生塑性屈服,而應力集中帶內的煤體處于三向應力狀態,應力集中的強度還沒有超過煤體的屈服強度。由于卸壓帶內煤體裂隙增加、體積擴容,該區域內煤體介質的密度、彈性模量和應力波傳播的速度均比處于原巖應力狀態煤體的小,而處于應力集中帶的煤體還沒有發生破壞,在集中應力的作用下,煤體的孔隙裂隙閉合密度增大,且應力波傳播的速度均比處于原巖應力狀態煤體的大,即應力集中帶內煤體的波阻抗大于或遠大于卸壓帶內煤體的波阻抗(ρ2cp2＞ρ1cp1),當爆炸應力波從卸壓帶煤體傳到與應力集中帶交界面E—E時,則有σr＞0,σt＞0,說明交界面有反射波,也有透射波,且反射應力波的方向與入射應力波的方向相同,這樣只會對煤體產生壓應力,而煤體的抗壓強度遠遠大于抗拉強度(煤體的抗拉強度僅為其抗壓強度的1/10～1/ 20),在這種情況下不會對煤體產生拉伸破壞,所以前人的觀點是錯誤的。

圖6 炮掘工作面前方煤體應力分布Fig．6 Stress system of coal located to anterior to driving face

由于爆炸應力波的強度隨著距爆源距離的增加而衰減,所以隨著掘進工作面向前推進,爆源距離距構造煤帶越來越近,即爆炸應力波的反射拉伸作用也會越來越強,對掘進工作面前方煤體的破壞作用也會越來越強,掘進工作面越靠近構造煤帶,爆破作用越容易導致大量煤體突出拋出,這也是爆炸應力波的累加效應。

4 探 討

僅從理論上分析了爆炸應力波對煤體瓦斯解吸的影響,以及爆炸應力波和構造煤帶的相互作用對煤體的破壞。許多學者對爆破振動作用對巖體的累積損傷作用進行了大量的研究,對煤體的損傷研究較少,所以需要不斷的從井下獲取實測資料進行驗證和完善,可以通過聲波測試的方法研究爆炸應力波對煤體的累積損傷效應[25-26],以及實測掘進工作面前方一定深度內的煤層瓦斯壓力。而且上述機理的理論基礎都是源于巖石爆破工程,但是煤體和巖體的物理力學性質有很大的差別,需要進一步研究爆炸應力波在煤體中的傳播特點。

5 結 論

(1)建立了一種基于構造煤帶和爆炸應力波的掘進工作面孕育煤與瓦斯突出危險狀態的模型,分析了在該模型條件下構造煤帶和爆炸應力波的相互作用下對煤體瓦斯放散和煤體破壞程度的影響。

(2)理論分析了爆炸應力波對煤體瓦斯解吸的影響。爆炸應力波在煤體中傳播會形成壓縮波和稀疏波,當稀疏波經過一定區域時,引起該區域密度減小、體積增大。從而引起該區域內瓦斯壓力降低,破壞了煤體的瓦斯吸附平衡狀態,煤體內吸附態瓦斯大量解吸,導致煤層瓦斯壓力升高。

(3)當掘進工作面前方煤體內存在構造煤帶時,爆炸應力波傳至構造煤帶與未破壞煤體的交界面時,由于爆炸應力波的反射拉伸破壞作用,促進構造煤帶迎波一側煤體的破壞;而掘進工作面前方煤體內存在的應力集中帶不會引起爆炸應力波對煤體產生反射拉伸加強破壞作用。

(4)隨著掘進工作面的推進,需要不斷地進行放炮,在向構造煤帶推進的過程中,爆炸應力波不斷促進煤體解吸瓦斯,且強度越來越大;同理,爆炸應力波對煤體的反射拉伸破壞作用也越來越強,這就是爆炸應力波的累加效應,最終導致該模型下煤體越來越接近煤與瓦斯突出危險狀態。

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A model based on explosive stress wave and tectonic coal zone which gestate dangerous state of coal and gas outburst

CHANG Wei-bin1,2,FAN Shao-wu1,2,ZHANG Lang1,2,SHU Long-yong1,2
(1.Mine Safety Technology Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.State Key Laboratory of Coal Resource High-Efficiency Mining and Clean Utilization(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China)

In terms of the current state of widespread and serious coal and gas outburst problem in south China,by combining widespread tectonic coal,complex geological structure and the process of blast mining and driving used in most ofthe mines,a model based on tectonic coal and explosive stress wave which gestate the dangerous state of coal and gas outburst was proposed and was theoretically analyzed．Study shows that the sparse wave formed by explosive stress wave would lead to coal’s density decrease and volume expansion,coal seam gas pressure decrease,coal seam methane adsorption unbalance,and the desorption methane which converted from adsorption methane finally leads to the rise of coal seam gas pressure．When there are tectonic coal zone inthe front of drivageface,the explosive stress wave from explosion source located in drivageface propagates to the interface between no-destruction coal and tectonic coal zone．Due to the strengthened effect of the reflection wave,no-destruction coal which located between tectonic coaland drivageface generates tensile failure．When there are stress concentrated zones inthe front of the drivageface,coal mass would not generate tensile failure like above．With the periodic blasting and driving towardthe tectonic coal zone, the destruction and methane desorption effects on coal mass is constantly strengthened．The strength of explosive stress wave constantly decreases with the increase of distance from explosion source．Finally,the process generates a blastingaccumulation effect．

explosive stress wave;tectonic coal zone;coal and gas outburst;process of blasting driving;blasting accumulation effectt

TD712

A

0253-9993(2014)11-2226-06

2013-09-05 責任編輯:張曉寧

國家科技重大專項資助項目(2011ZX05040-001-007);山西省煤層氣聯合研究基金資助項目(2013012007)

常未斌(1986—),男,山西定襄人,助理工程師,碩士。E-mail:ccrichang@sina．com

常未斌 ,樊少武,張 浪,等．基于爆炸應力波和構造煤帶孕育煤與瓦斯突出危險狀態的模型[J]．煤炭學報,2014,39(11):2226-2231．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1278

Chang Weibin,Fan Shaowu,Zhang Lang,et al．A model based on explosive stress wave and tectonic coal zone which gestate dangerous state of coal and gas outburst[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2226-2231．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1278